データセンター運用でよくある質問です。数年間使用した後、UPSバッテリーストリングの定期点検で、1つのセルに膨張が見つかりました。そのセルの電圧は低いものの、他のセルは正常に見えます。不良ユニットだけを交換すればよいのでしょうか。それともストリング全体を交換する必要があるのでしょうか。
答えは、ほとんどの場合、ストリング全体を交換する、です。
1つの故障セルがストリング全体を危険にさらす理由
鉛蓄電池のストリングは直列に接続されています。直列回路では、すべてのセルに流れる電流は同じですが、電圧、内部抵抗、容量がセル間で完全に一致することはありません。これが問題の根本です。
内部抵抗の差
新品の小容量12V鉛蓄電池は、一般的に内部抵抗が0.015～0.018Ωの範囲にあります。3～5年使用されたバッテリーでは、内部抵抗が0.05 Ωを超えることがあり、多くの場合はさらに高くなります。
古いセルと新しいセルを直列で一緒に充電すると、充電電圧は内部抵抗に応じて分配されます。抵抗が高い古いセルには、より高い電圧がかかります。その結果、新しいセルが満充電にならない一方で、古いセルはすでに過充電となり、過熱、水分喪失、膨張を起こし、自らの劣化をさらに加速させます。放電時には状況が逆になります。古いセルは内部抵抗が高いため、電圧がより速く低下します。古いセルの低電圧によりストリング全体が早期に停止し、新しいセルの容量はまったく使われないまま残ります。
電圧の不一致
バッテリーストリングの規格では、セル間の開回路電圧差について最大許容値が定められています。古いセルと新しいセルの電圧差は、その制限を大きく超えます。コンプライアンスの観点からも、古いセルと新しいセルを混在させることは単純に推奨されません。
容量劣化
バッテリーストリングの使用可能容量は、最も弱いセルによって決まります。3～5年後、古いセルの容量は定格値の70～80%まで低下している可能性がありますが、新しいセルは100%です。放電時には古いセルが最初に空になり、ストリング保護が作動します。新しいセルにはまだ供給できるエネルギーが残っていますが、ストリングがすでに停止しているため、それを供給できません。
これらすべての理由から、業界の実務は明確です。鉛蓄電池ストリングを3年以上使用していて1つのセルが故障した場合は、ストリング全体を交換します。1つのセルだけを交換すれば、費用は全体交換の一部で済むかもしれません。しかし、その結果生じるリスク、つまりさらなる故障、保守コストの増加、潜在的なダウンタイムは、短期的な節約をはるかに上回ります。
ニッケル亜鉛バッテリーはどう違うのか？
では、データセンターがニッケル亜鉛バッテリーを使用している場合はどうでしょうか。同じ問題が当てはまるのでしょうか。
最初の重要な違いは、耐用年数です。
Gerchampのニッケル亜鉛バッテリー（Gerchampは、8XNFZ38に加えて8XNFG90を含む、さまざまなUPS用途向けのNiZnバッテリーモデルを提供しています。）は、従来の鉛蓄電池の3～5年に対し、10～15年の設計寿命を備えています。
耐用年数が長いということは、時間が経っても性能がより安定しているということです。5年または6年運用した後でも、ニッケル亜鉛ストリングはまだライフサイクルの前半または中盤にあります。内部抵抗、電圧、容量におけるセル間の一貫性は、同じ年数を使用した鉛蓄電池よりもはるかに優れています。1つのセルが深刻に故障する確率は大幅に低くなります。
第二に、故障モードが異なります。鉛蓄電池は劣化が進むと、内部抵抗が急激に上昇し、容量が突然低下します。1つのセルが故障すると、その後すぐにストリング全体が崩れます。これに対し、寿命末期に近いニッケル亜鉛バッテリーでは、主に内部抵抗が徐々に増加します。突然の開回路や短絡が発生することはなく、鉛蓄電池のように膨張したり、酸が漏れたり、腐食性ガスを放出したりすることもありません。たとえ1つのセルの性能が低下しても、ストリングの残りは動作を続けることができ、低下するのは総容量だけです。保守チームは、真夜中に緊急修理で呼び出されるのではなく、計画的な交換をスケジュールする十分な時間を確保できます。
もちろん、ニッケル亜鉛を含め、どの電池化学系でも古いセルと新しいセルの混在は推奨されません。しかし重要な点は、ニッケル亜鉛バッテリーは長期的な一貫性をはるかに良好に維持するということです。鉛蓄電池ストリングで3年または4年後に見られるような大きな差は生じません。つまり、ニッケル亜鉛UPSバッテリーのライフサイクルでは、「1つの不良セル」というシナリオはずっと後になって発生し、しかも発生頻度ははるかに低くなります。
データセンター運用者への実用的なポイント
では、最初の質問に戻りましょう。UPSバッテリーセルが1つ不良になった場合、どうすべきでしょうか。
鉛蓄電池を使用していて、ストリングが3年以上経過している場合は、ストリング全体を交換してください。これはコストを引き上げるためではなく、実際の運用経験に基づく合理的な選択です。1つのセルだけを交換して節約できる数百ドルは、運用コストの増加、あるいはさらに悪い場合には防げたはずの停止によって、何倍にもなって戻ってくる可能性があります。
データセンターまたはAIDC施設向けに別のバッテリー技術を評価している場合は、ニッケル亜鉛を検討してください。その設計寿命は鉛蓄電池の2～3倍です。データセンターのライフサイクル全体で、バッテリー交換の回数は大幅に減少します。
総所有コストの観点では、ニッケル亜鉛バッテリーは鉛蓄電池より初期費用が高い場合があります。しかし、ストリング全体の交換を2回または3回回避でき、材料費と人件費だけでなく、ダウンタイム調整の煩雑さも排除できます。高い信頼性と低い保守負担を重視する施設にとって、ニッケル亜鉛は真剣に検討する価値のある選択肢です。