전기차 배터리 팩 케이스 Bottom 커버 체결용 하드웨어 개발에 관한 연구 = A Stud on the Development of Fastening Hardware for the Bottom Cover of an Electric Vehicle Battery Pack Case

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 전기차 배터리 팩 케이스(Battery Pack Case, 이하 BPC)의 하부 구조중 Bottom 커버 체결부의 신뢰성을 향상시키기 위한 새로운 체결 기술의 개발과 검증에 관한 연구이다. 기존의 태핑볼트, FDS(Flow Drill Screw) 체결 방식은 경량 알루미늄 구조물의 특성상 피어싱 불안정, 나사산 붕괴, 잔류토크 저하 및 체결부 피로 파손과 같은 문제를 야기하여 전기차 배터리 팩 케이스 의 구조적 신뢰성을 확보하는 데 한계가 있었다. 이에 본 연구에서는 기존 FDS의 구조적·공정적 한계를 개선하기 위하여 SFDS(Speed Flow Drill Screw) 라는 새로운 체결 하드웨어를 개발하였다. SFDS는 피어싱 단면을 기존 원형에서 삼각형으로 변경하여 피어싱 능력과 나사산 형상을 개선하였으며, 나사 구조를 한 줄에서 두 줄(Double Thread) 로 변경함으로써 하중 분산을 실현하였다. 또한, 기존 SCM435 재질 대신 연 성이 우수한 SWCH18A를 적용하고 침탄 열처리를 수행하여 피로내구성을 향상시켰다. 여기에 아크릴 수지 기반의 케미컬(Precote 85) 을 하드웨어 헤 드부에 도포하여 체결부 미세 간극을 충진하고 장기 잔류토크 유지성을 강화 하였다. 체결 성능 검증은 시편 수준과 제품 수준으로 단계적으로 수행되었다. 시 편 예비시험에서는 상부 A3003(3.0t)과 하부 A6082(3.0t) 알루미늄 조합을 이 용하여 접합강도 및 잔류토크 특성을 평가하였다. 그 결과, 기존 FDS 대비 접합강도는 8.9 kN → 9.4 kN으로 약 5.6 % 향상되었으며, 잔류토크는 6.2 N·m → 8.2 N·m으로 약 32 % 향상되었다. 또한 피로수명은 32,323 Cycle → 46,791 Cycle로 약 45 % 증가하여 재질 및 형상 개선의 효과가 명확히 검 증되었다. 제품 기준 검증에서는 실제 BPC Bottom 커버 체결부를 대상으로 평면형 SFDS + 케미컬(헤드부 도포) + 2단 조임(8.0 N·m / 11.5 N·m) 조건으로 시험을 수행하였다. 체결 직후 평균 잔류토크는 8.8 N·m, 4주 경과 후 8.0 N·m으로 측정되어 초기 대비 유지율은 약 91 %로 확인되었다. 이는 사양 (SPEC) 기준 6.0 N·m을 충분히 상회하는 결과로, 장기 체결 신뢰성을 확보 한 것으로 평가된다. 이상의 결과를 종합하면, SFDS 체결 기술은 기존 FDS 대비 1. 잔류토크 유지성 32 % 향상 2. 접합강도 5.6 % 향상 3. 피로내구성 45 % 향상 4. 공정시간(C/T) 약 30 % 단축이라는 종합적 성능 향상을 달성하였다. 특히 2단 조임과 케미컬 적용 조건은 체결 응력의 균일화와 마찰계수 안 정화에 기여하여 장기적으로 잔류토크 손실을 억제하는 효과가 있었다. 본 연구를 통해 개발된 SFDS 체결 기술은 전기차 배터리 팩 케이스의 구 조적 안정성과 신뢰성을 확보함과 동시에 생산 효율성 향상 및 경량화 기술 실현에 기여할 수 있다. 또한 본 기술은 배터리 팩 하부 구조뿐만 아니라 모 터 하우징, 서브프레임, 차체 하부 알루미늄 접합 등 다양한 경량 구조물에도 적용 가능성이 높은 체결 솔루션으로 평가된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study focuses on the development and reliability evaluation of a new fastening technology to improve the structural integrity of the bottom cover joint in an electric vehicle (EV) battery pack case (BPC). Conventional fastening methods such as tapping screw, and flow drill screw (FDS) exhibit inherent limitations in lightweight aluminum structures, including piercing instability, thread damage, reduction of residual torque, and fatigue failure of the screw head, which restrict their applicability to high-reliability battery pack assemblies. To address these issues, a new fastening hardware—SFDS (Speed Flow Drill Screw)—was developed. The SFDS features a triangular piercing section (replacing the conventional circular type) to improve piercing performance and thread accuracy, a double-thread design for better load distribution, and a ductile material (SWCH18A) with carburized surface hardening to enhance fatigue strength. Additionally, an acrylic-based chemical adhesive, Precote 85, was applied beneath the screw head to fill micro gaps and enhance long-term residual torque stability. The fastening performance was evaluated through both specimen-level and product-level tests. In specimen tests using A3003 (3.0t) and A6082 (3.0t) aluminum sheets, the SFDS demonstrated a joint strength increase from 8.9 kN to 9.4 kN (+5.6 %) and a residual torque improvement from 6.2 N·m to 8.2 N·m (+32 %) compared to the conventional FDS. Fatigue life also increased from 32,323 to 46,791 cycles (+45 %), confirming the positive effect of the improved geometry and material. In product-level verification, the optimized condition—flat-head SFDS with head-applied Precote 85 and two-step tightening (8.0 N·m at 150 RPM and 11.5 N·m at 50 RPM)—was applied to the bottom cover of the battery pack case. The average residual torque decreased slightly from 8.8 N·m initially to 8.0 N·m after four weeks, achieving a retention ratio of approximately 91 %, which exceeds the required specification of 6.0 N·m. Overall, the SFDS fastening technology achieved a 32 % improvement in residual torque retention, a 5.6 % increase in joint strength, a 45 % improvement in fatigue durability, and approximately 30 % reduction in cycle time compared with conventional FDS. The combination of double-thread structure, SWCH18A material, Precote 85 adhesive, and two-step tightening contributed to both mechanical stability and process efficiency. Therefore, the SFDS fastening technology developed in this study is expected to provide a highly reliable and efficient fastening solution for EV battery pack cases and other lightweight aluminum structures, including motor housings, subframes, and underbody assemblies.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 국내외 기술 및 시장 동향 2
• 1.3 기존 체결 구조의 한계점 7
• 1.4 원인 분석 및 개선 방향· 9
• 1.5 연구 대상 기술 및 제품 개요 10
• 1.6 연구 대상 기술 및 제품 개요 12
• 제 2장 이론적 배경 13
• 2.1 전기자동차 배터리 팩 구조의 특징 13
• 2.2 체결 하드웨어 기술 개요 13
• 2.3 잔류토크(Residual Torque)의 정의와 물리적 의미 20
• 2.4 기존 FDS 체결 구조의 한계 21
• 제 3 장 연구방법 21
• 3.1 연구 절차 및 수행 체계 21
• 3.2 적용 재질 및 시험편 22
• 3.3 체결 하드웨어 설계 및 형상 개념 28
• 3.4 체결 시험 조건 및 평가 방법 32
• 제 4 장 연구결과 및 고찰 33
• 4.1 시편단위 원리 검증 결과 33
• 4.2 제품 단위 체결 성능 검증 61
• 4.3 종합 고찰· 66
• 제 5 장 결론 72
• 5.1 연구 결과 요약 72
• 5.2 연구의 의의 73
• 5.3 결론적 고찰 75
• 참고문헌 77