面对严峻的能源危机和环境问题，加速发展新能源轨道交通车辆是城市实施可持续发展的重要措施。钛酸锂电池凭借性能优良和绿色环保的特点，被广泛应用于轨道交通车载储能领域，其状态估计关乎整车的高效管理和安全运行。但现有动力电池状态估计方法仍聚焦于负极为石墨材料的锂离子电池，其研究结论无法直接推广至钛酸锂电池。轨道交通车载工况中高倍率和宽温度范围的特点，进一步加深了钛酸锂电池状态精准估计的难度。
　　本论文以商业化钛酸锂电池为研究对象，基于国内外文献及国际测试标准规范，建立了钛酸锂电池测试平台并积累了特性和老化数据，围绕轨道交通用钛酸锂电池不同时间尺度状态估计难题，开展了模型驱动的短时间尺度钛酸锂电池状态估计方法研究，以及基于衰退机制的长时间尺度钛酸锂电池状态估计工作，其主要研究内容如下:
　　(1)针对短时间尺度下电池状态估计所采用的传统等效电路模型在高倍率和宽温度范围内逐渐失真，进而导致估计结果不准确的问题，基于钛酸锂电池特性测试数据，分析了开路电压-荷电状态映射关系、欧姆内阻及电池极化的倍率和温度依赖性，发现模型精度的下降源于电化学极化关系模型的缺失。应用电化学动力学理论推导了Butler-Volmer方程的变换形式，结合一阶RC电池模型结构，提出了基于电化学方程的钛酸锂电池等效电路模型，并进行了不同材料、不同工况和不同温度条件的实验验证。
　　(2)针对短时间尺度下传统电池荷电状态(SOC)和功率状态(SOP)估计过程对温度变化较为敏感的问题，从电池状态定义出发，通过引入电池可用荷电状态(SOU)对电池SOC定义进行修正，实现了其容量状态属性与温度影响属性的分离，并根据钛酸锂电池充放电曲线的非线性规律，提出了计及开路电压的电池SOP电压约束条件。基于钛酸锂电池模型的状态空间方程和观测器技术，提出了模型驱动的钛酸锂电池SOC估计方法，应用绝对误差中位数、绝对误差最大值和响应时间等性能指标对四种观测器技术进行对比，结果表明比例积分观测器易于工程实现但调整时间长，而源自贝叶斯最优理论的滤波方法则可快速修正估计误差且低温性能良好。基于钛酸锂电池模型的脉冲响应表达式和改进电压约束条件，提出了模型驱动的钛酸锂电池SOP预测方法，设计并进行了不同温度下的工况验证。
　　(3)针对长时间尺度下容量估计所需的钛酸锂电池衰退机制仅适用于极端条件的问题，基于钛酸锂电池常温和高温循环老化数据，分析了电池可用容量、内阻等电池特征参数随电池衰退程度的演变规律，结果表明钛酸锂电池的循环衰退主要表现为容量损失，而全寿命周期内电池充电内阻具有严重的倍率依赖性。根据钛酸锂电池可用容量区间的区域划分准则，利用容量增量法(ICA)和电压差分法(DVA)，对不同循环测试条件下钛酸锂电池的衰退模式进行识别，发现诱发电池容量损失的主导机制均为正极活性材料损失，而可循环锂离子损失仅在低循环倍率下呈现出显著影响。在钛酸锂电池DV曲线的四个区间容量中，位于SOC低端的区间容量在循环过程中衰退模式前后一致，且其损失速率并未受到其他区间的影响。
　　(4)针对长时间尺度下计及相变特征的电池容量估计方法特征选取原则缺乏的问题，借助光谱轮廓的函数表达形式，证明了IC曲线特征和DV曲线特征用于钛酸锂电池容量估计的一致性，基于轨道交通车载工况特点和电池衰退机制，建立了钛酸锂电池相变特征的优选原则，利用相变特征与电池可用容量的线性相关关系，提出了基于部分电压差分曲线的钛酸锂电池容量在线估计方法，并进行了不同倍率和温度条件的实验验证。
　　本论文所提出的基于电化学方程的钛酸锂电池建模技术、模型驱动的钛酸锂电池SOC估计和SOP预测方法和基于部分电压差分曲线的钛酸锂电池容量在线估计方法等，解决了高倍率和宽温度范围内钛酸锂电池不同时间尺度状态估计问题，具有工程应用和推广价值。