电机-变速器直连系统具有动力性好、效率高、体积小、成本低的优势,在电动汽车中得到越来越多的应用。目前对该系统换档过程的研究主要集中在电机的主动同步控制,对系统特性和协调控制还缺乏深入的研究,使换档过程的动力中断时间过长,冲击过大。本文针对上述问题,研究了提高该系统换档性能的关键技术,并通过仿真和台架实验验证了相关结论。接合套和接合齿圈的接合过程是机械式变速器换档的核心过程。有同步器的系统包含两个阶段:接合套和同步环的作用,以及接合套和接合齿圈的作用。当接合套、同步环和接合齿圈在某一耦合关系下,利用多体动力学理论建立了多体动力学模型。在接合过程中,由于接合套和接合齿圈存在转速差和不合适的齿间角度,接合套、同步环、接合齿圈间会产生换档冲击。本文引入了泊松恢复系数碰撞模型对冲击过程进行动力学建模,得到了碰撞后的速度预测模型。运用混杂系统理论,建立了耦合系统状态连续运动和离散跳变过程的混杂自动机模型。利用模型,进行数值仿真,并分析系统特性。将接合过程分为三种情况:机械同步起作用、机械同步不起作用、非同步打齿,并通过仿真得到了三种情况在不同换档力、接合套和接合齿圈相对转速和相对角度下的分布。以此为线索,分析了这三个因素对动力中断时间和换档冲击的影响,找出了最佳相对转速和换档力,并通过实验进行了验证。通过和有离合器系统的对比,发现具有小转速差、大转动惯量的无离合器系统在一定的控制域内具有更佳的换档品质。建立无同步器系统的混杂自动机模型,并通过数值仿真,分析在不同控制参数下动力中断时间和换档冲击的变化规律。结果表明,仅通过电机主动同步控制,无法同时缩短动力中断时间和减小换档冲击。进一步分析接合套和接合齿圈的相对角度对换档性能的影响,揭示了换档冲击的产生机理。基于无同步器系统的特性分析结果,运用极小值原理和混杂系统优化控制方法设计了主动对齿控制算法。通过控制电机,主动调节接合套和接合齿圈的相对角度,有效抑制了换档冲击,并缩短了动力中断时间,实现了接合套和接合齿圈的快速平稳接合。仿真和实验结果表明,引入主动对齿控制算法后,在电机-变速器直连系统中取消同步器不仅是可行的,并能获得更佳的换档性能。