絶縁抵抗測定の新手法「並列抵抗法」を提案 ～EV安全基準の不安定な測定法に替わる確かな方法～
電気自動車（EV）の安全性を巡る高い関心が集まる中、世界中の自動車メーカーや認証試験所が、極めて重要でありながら見過ごされがちな安全パラメータ——絶縁抵抗——を検証する方法を再定義する可能性を秘めた、地味だがゲームチェンジャーとなり得る変化が進行している。
一見すると、絶縁抵抗は技術マニュアルや適合性チェックリストに載るような工学的な詳細事項に思える。しかし、その意味合いはより直接的だ。それは、高電圧バッテリーパック（多くの場合800ボルトを超える）から金属製シャーシへ、そして最終的には故障状態で車のドアハンドルに触れた人へと、致死性の電流が飛び出すのを防ぐ見えない障壁なのである。この障壁が経年劣化、湿気の侵入、物理的損傷によって劣化すると、感電、火災、さらには死亡事故のリスクが急激に高まる。だからこそ、中国のGB 18384から国連のECE R100、ISO 6469に至るまでの国際的な安全基準は、システム電圧1ボルトあたり typically 500オームといった、このパラメータに対する厳しい最小閾値を義務付けている。
しかし問題がある。これらの基準で測定方法として規定されている手法そのものが、根本的に欠陥がある可能性があるのだ。
計測学と規制の枠組みに焦点を当てた査読付き学術誌『Standard Science』に最近掲載された研究は、中国の現行規格GB 18384-2020（および、関連する規格GB 38031（バッテリー安全）やGB 38032（電気バス安全）でも同様に採用されている）で定められた広く利用されている「二電圧計法」（通称「ツーメーター法」）に深刻な不安定性があることを暴露した。本論文を執筆したのは、国家乗用車品質検査検測中心（National Passenger Car Quality Inspection and Test Center）の高風（ガオ・フェン）、李良宇（リ・リャンユー）、于群（ユー・チュン）らと、一汽豊田技術開発有限公司（FAW TOYOTA Research & Development Co., Ltd.）の李鋭（リ・ルイ）である。彼らは単に問題を指摘するだけでなく、強固で実戦検証済みの代替案——「並列抵抗法」——を提示している。
これは単なる理論上の作業ではない。自動車メーカー、バッテリーサプライヤー、試験所にとって、その影響は直接的かつ運用的だ。測定結果が不安定であることは、一貫性のない合格/不合格判断、コストのかかる再試験、生産ラインの停止、そして最も重大なのは、信頼性の低いデータによって覆い隠された潜在的な安全上のギャップを意味する。
現在の方法の何が問題なのか？ そして、なぜ今まで警鐘が鳴らされなかったのか？
この欠陥を理解するには、まず二電圧計法がどのように機能するか、そしてなぜ紙面上では優雅に見えたのかを理解する必要がある。
核心となる考えは、紙面上では単純極まりない。EVの高電圧システム（REESS——充電可能なエネルギー蓄積システム、つまり主バッテリー）は、車体の金属フレーム（「電平台」）から電気的に絶縁されており、2つの絶縁経路——正極端子からシャーシへ、および負極端子からシャーシへ——によって隔てられている。これらは2つの抵抗Ri1とRi2としてモデル化され、両者のうち低い方がシステム全体の絶縁抵抗Riを定義する。
標準的な方法は、技術者に対し、2つの高インピーダンスのデジタル電圧計を——1つは正極端子とシャーシの間、もう1つは負極端子とシャーシの間——に接続するよう指示する。彼らは2つの電圧U1（高い方）とU1’（低い方）を記録する。次に、既知の「テスト抵抗」（R0、通常1メグオーム）をより高い電圧を示す端子に並列接続し、再度2つの電圧U2とU2’を測定する。
これら4つの電圧測定値から、そして決定的に重要なのは、2つの電圧計の既知の内部抵抗（r1とr2、通常約10メグオーム）から、キルヒホッフの電流則に基づいて導出された方程式群を解き、Ri1とRi2を逆算する。
紙面上では、理想的な部品を用いれば美しく機能する。しかし実際には、その計算は驚くほど脆弱である。
研究の著者らは、自動化された測定システムを使用して生産前のプロトタイプで繰り返し試験を行い、人的誤差（目盛りの読み取りやボタン押し）を排除した。結果は憂慮すべきものだった。40分間隔で実施した2回の測定サイクル（その間は完全に接続を解除）で、計算された絶縁抵抗値は大きく変動した。1回目の実行では約192キロオームだったのが、2回目では驚異的な約1.41メグオームにまで跳ね上がったのである。さらに悪いことに、中間計算段階で、システムはRi1として負の抵抗値を報告した——物理的に不可能であり、基礎となる計算が数値的に不安定になったことを示す赤信号である。
なぜこのようなことが起こるのか？ 論文では3つの相互に関連する原因を特定している。
第一に、そして最もたちの悪いのは、実世界のEVシステムの時間領域における挙動である。現代の高電圧アーキテクチャは単純な直流回路ではない。それらには、特にEMIフィルターに使用されるいわゆる「Yキャパシタ」のような寄生容量が含まれており、これが絶縁抵抗とRCネットワークを形成する。電圧計とテスト抵抗が接続されると、既存の直流平衡が乱される。回路は新しい定常状態に即座に移行するのではなく、時定数（τ = R × C）に支配されて緩和していく。関与する抵抗が極めて高く（メグオーム）、容量が無視できない値（ナノファラドからマイクロファラド）であるため、この時定数は数秒から数分に及ぶ可能性がある。この落ち着き期間中、測定された2つの電圧は連動して動かない。代わりに、それらは小さな連成振動を示す——弱いバネで連結された2つの振り子のように——U1のごくわずかな上昇はU1’のごくわずかな下降と一致し、その逆も同様である。ほんの一瞬早く、または遅く測定すると、この減衰波形上の異なる点を捕捉することになり、計算に劇的に異なる数値を投入してしまう。
第二に、電圧計の内部抵抗が固定された既知の定数であるという前提は、多くの場合成立しない。著者らは、10MΩに定格されたメーターでも、実際に測定している電圧によって約50kΩの変動を示す可能性があることに言及している。50kΩは10MΩ（0.5%の変化）と比べれば小さく聞こえるかもしれないが、二電圧計法の方程式の微妙なバランスの取れた代数では、この微小な擾乱が増幅され、出力の大きな変動を引き起こす。尖った鉛筆を完璧にバランスさせようとするのと同じだ。息を吹きかけるだけで倒れてしまう。
第三に、計器公差の累積効果である。テスト抵抗の0.1%の誤差、電圧計の電圧読み取り値の0.05%のドリフト、その内部抵抗の0.2%の変動——これらはそれぞれ高級な実験装置の規格内である。しかし、（U1 – U1’のような）非常に小さい差による除算を含む計算に投入されると、これらの微小な誤差は非線形的に複合し、最終的なRi値に巨大な不確実性をもたらす。
このロバスト性の欠如——轻微な、避けられない現実世界の変動にもかかわらず一貫した結果を生み出せないこと——が、本論文の核心的な批判点である。安全試験方法は、理論上正確であるだけでなく、試験ベイ、生産ライン、サービス工場という雑然とした現実においても反復可能かつ再現可能でなければならない。
この不安定性に直面し、著者らはパラダイムシフトを提案する。電圧計との戦いをやめ、その影響を無力化せよ、と。
そこで「並列抵抗法」の登場である。
核心的な洞察は、見掛けとは裏腹に極めて単純明快だ。電圧計の高い内部抵抗が不安定性の根源であるならば、その抵抗を無関係にしてはどうか？ 解決策は、測定を開始する前に、意図的に一対の「シャント抵抗」——Rx——を正極-シャーシ間と負極-シャーシ間の両経路に並列に追加することである。これらのRx抵抗は任意のものではない。它們は、電圧計の内部抵抗より少なくとも2桁小さい値に慎重に選択される。つまり、メーターが10MΩなら、Rxは100kΩ以下かもしれない。
なぜこれが役立つのか？ オームの法則が答えを提供する。100kΩの抵抗が10MΩの抵抗と並列に配置されると、合成抵抗は約99kΩとなる——実質的には100kΩそのものだ。なぜならメーターの寄与は無視できるからである。両側に同一のRx抵抗を追加することで、電流に対する新しい支配的な並列経路を作り出す。以前は決定的に重要だったRi値（メグオーム範囲である可能性がある）は、計算上実質的に「打ち消され」、代わりに既知の、安定したRx値が中心的な役割を担うようになる。システムの挙動は、元の方法を悩ませていた微小な寄生効果に対してはるかに感度が低くなる。
測定手順は似ているが、決定的に異なる。まず、Rxを設置した状態で、2つの電圧（U1, U1’）を測定する。次に、テスト抵抗（R0）を高電圧側に追加し、再度測定する（U2, U2’）。等価絶縁抵抗（Ri ∥ Rx）を計算するために使用される方程式はより単純で、決定的な点として、変数として電圧計の内部抵抗を含まない。Ri ∥ Rxが得られれば、真のRiを抽出するのは並列抵抗の公式の些細な応用に過ぎない。
おそらく最も説得力のある実用的利点は、たった1台の電圧計しか必要としないことだろう。メーターの内部抵抗がもはや重要ではないため、同じメーターをすべての4回の読み取りに順次使用できる——正極端子と負極端子の間で交換しながら。これにより、装置コストが削減され、治具が簡素化され、2つの別々のメーターを整合させたり精密に特性評価したりする必要性がなくなる。
論文の著者らは、この方法は全く新しいものではない——それは彼らの2021年の『Automotive Practical Technology』誌での研究ですでに探求されていた——しかし、現行法の失敗に関する実証的証拠に裏打けられた代替案として正式に提案されたことで、新たな重みが加わったと述べている。
自動車メーカーとサプライヤーはすでに注目し始めている。共著機関である一汽豊田のエンジニアは、内部検証プロトコル向けにこの方法を評価中と報じられている。複数のOEMにサービスを提供する試験所は、より速く、より信頼性の高い結果——電圧が落ち着くのを待つ数分から1分未満へのテストサイクル毎の時間短縮——の約束に興味を持っている。
もちろん、規定された基準からのいかなる逸脱も深刻な提案である。GB 18384-2020は単なるガイドラインではない。それは中国のすべての新型EVに対する強制的な型式認証プロセスで引用されている。それを変更するには、業界の合意、規制当局の審査、そして自動車サプライチェーンの世界的性質を考えれば、おそらく国際的な調和の努力を含む、正式な規格改訂プロセスが必要となる。
しかし、本論文は実用的な議論を説得力を持って展開している。たとえ規格が明日改訂されなくても、この不安定性に関する知識は、試験が今日どのように実行されるべきかを変えるべきだと。著者らは試験エンジニアに対し、二電圧計法の結果を——特に数値が様子と異なるように思われる場合や、繰り返し測定で結果が一致しない場合——極めて懐疑的に扱うよう強く促している。彼らは、複数回の試行を実施し、（現在ほとんどの自動化スクリプトが使用しているよりもはるかに長い）十分な落ち着き時間を確保し、異なる原理を使用する専用の絶縁抵抗試験器（メガー）のような別の方法で重要な結果をクロスバリデーションすることを推奨している。
この話は単一の試験方法以上のものである。 transportationの電動化への突進の中で、安全を確保する基礎的なプロセスを当たり前のように捉えてはならないという覚書なのである。出荷されるバッテリー容量の新たなメガワット時毎に、何かがうまくいかなくなった瞬間に車両が危険源とならないことを——信頼性高く、反復可能で、堅牢に——検証する義務が伴う。
並列抵抗法が最終結論ではないかもしれない。高周波注入技術や能動的な平衡回路のような他のアプローチも調査中である。しかし、高風氏と彼の同僚が成したことは極めて重要だ。彼らは、恐怖心をあおるのでなく、データと物理学、そして建設的な代替案をもって警鐘を鳴らしたのである。自動車安全の緻密な世界において、その種の厳密で解決志向の批評こそが、真の進歩の原動力なのである。
EVが進化し、より高い電圧、より複雑なアーキテクチャ、より高速な充電速度を獲得するにつれて、防弾チョッキ並みに堅牢な診断および検証方法への要求はさらに強まるだけだろう。絶縁抵抗試験は背景で静かに動作するかもしれないが、それを正しく行うことは些細なことでは決してない。それは、耐える安全網と、プレッシャーにほぐれてしまう安全網との違いなのである。
（著者情報） 高風（Gao Feng）、李良宇（Li Liangyu）、于群（Yu Qun） 国家乗用車品質検査検測中心（National Passenger Car Quality Inspection and Test Center） 李鋭（Li Rui） 一汽豊田技術開発有限公司（FAW TOYOTA Research & Development Co., Ltd.） （掲載誌） Standard Science, 2023, Issue 2 (Part 2), pp. 49–51 （DOI） DOI: 10.3969/j.issn.1002-5944.2023.04.007