锂离子电池因其具有能量密度高、自放电率低及循环寿命长等优势而被广泛应用于电动汽车领域。然而,低温下锂离子电池阻抗成倍增大、峰值功率和可用能量急剧下降;且低温下充电容易引起负极析锂,导致电池寿命加速衰退,甚至造成安全危害。锂离子电池低温性能严重衰减己成为了制约电动汽车普及的瓶颈因素之一。针对锂离子电池低温性能差、充电难和充电易析锂等难题,本文开展了以下具体研究工作:针对电池低温性能衰减主因难以确定的问题,通过实验测试高敏感性模型参数、辨识难以测量的模型参数,建立了能够刻画电池不同温度、不同倍率下充放电性能的电化学模型。基于该模型对商用电池低温性能衰减的影响因素进行了量化分析,辨析了下降的正负极固相扩散系数是电池低温可用容量衰减的主因,明确了增大的负极钝化膜电阻和下降的正极交换电流密度是低温可用功率衰减的主因,揭示了增大的负极钝化膜电阻是电池低温充电易析锂的主因,表明不同的特性参数影响电池的不同性能,突破了仅从参数的下降比例简单判别电池低温性能衰减主因的传统思维。针对难以同时预测电池时频域特性及高度非线性的低温特性难以描述等问题,通过去除低频区域电池开路电压的影响,获得了反映电池动力学信息的修正的电化学阻抗谱,基于此建立了能够同时模拟电池时域和频域特性的分数阶等效电路模型,构建了时域1s阻抗与频域阻抗的近似等效关系:融合热学模型和电学模型及模型参数的温度关系,建立了能够描述电池低温特性的热电耦合模型。针对频域应用,构建模型参数的频率依赖方程,建立了简化的频域热电耦合模型,并在不同工况下进行了实验验证;基于该模型,融合工频正弦激励,提出了电池集总热学参数在线估计方法,实现了热学参数在线辨识且辨识时间短、精度高等目标。针对时域应用,将中高频区域的物理化学过程等效为欧姆电阻,构建等效欧姆电阻和极化电阻与电流的函数关系,建立了简化的时域热电耦合模型,并进行了实验验证。针对低温加热速率低、加热导致电池寿命加速衰退等问题,基于恒定极化的控制策略和简化的频域模型推导了产热最大的交流频率,提出了优化的低温交流自加热方法;构建避免析锂的交直流边界条件,提出了交流叠加直流的低温加热方法,研制了软开关谐振电路,实现了均匀地、较快地升高电池组温度的目标,同时避免了电池组寿命加速衰退;构建直流加热时电池产热率模型和容量衰退模型,以加热时间短和电池容量衰退少为加热的优化目标确定了合适的加热电压,提出了优化的低温直流加热方法;为充分利用放电能量,提出了内外部加热方法,以加热时间短、容量衰退少和电池温度梯度低作为内外部加热的三个优化目标,确定了合适的外部加热电阻,提出了优化的低温内外部加热方法,实现了极低温度下快速提升电池温度的目标。从温升速率、荷电状态变化和寿命影响等六个方面对提出的四种加热方法进行了比较与讨论,结果表明内外部加热时,虽然电池温度梯度稍高,但加热速率非常快,寿命影响较少,工程实现较为简单,表明提出的优化内外部加热方法是一种较为有前景的低温加热方法,有助于解决难以有效提升电池低温性能的难题。针对电池低温充电难、充电易析锂等问题,基于析锂边界条件,确定了不同温度下等温充电时可接受的最大充电电流,提出了阶梯式电流的充电规程,并进行了实验验证。在极低温度下,提出了先加热后充电的低温充电方法,以加热-充电总时间、总能耗和充电最高荷电状态作为低温充电的三个评价指标,对等温和非等温条件下不同切换温度时的充电情况进行了讨论,发现在保温条件较好时非等温条件下的充电情况与等温下的基本相同。以加热-充电总时间短、总能耗少和充电最高荷电状态高为低温充电的三个优化目标,确定了加热到充电的最佳切换时机,提出了优化的低温充电方法,实现了在较短时间内、以较少能耗、无析锂地对电池充入较多电能的目标,将有力地促进电动汽车在极端寒冷环境下的推广应用。本论文所提出的锂离子电池低温性能衰减量化分析方法、锂离子电池热电耦合建模及其简化技术、锂离子电池低温优化加热策略和锂离子电池低温优化充电方法等,解决了锂离子电池低温性能差、充电难和充电易析锂等难题,实现了锂离子电池低温性能有效改善、低温快速充电等目标,形成了锂离子电池低温应用的系统化解决方案,有力支持电动汽车的推广与普及。