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、定期点検でUPS蓄電池ストリングの中に膨張したセルが1つ見つかりました。そのセルの電圧は低いものの、ほかのセルは正常に見えます。この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つのセル故障がストリング全体をだめにしやすい理由
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、通常0.015〜0.018Ωの内部抵抗を持っています。3〜5年使用された電池では、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。抵抗の高い古いセルには、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、減液、膨張が起こり、自らの劣化をさらに早めます。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って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
蓄電池ストリングの規格では、セル間の開回路電圧差の許容上限が定められています。古いセルと新しいセルの電圧差は、その上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基本的に推奨されません。
容量劣化
蓄電池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年経過すると、古いセルの容量は定格値の70〜80%まで低下している場合があります。一方、新しいセルは100%です。放電中、古いセルが先に空になり、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、それを取り出すことはできません。
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が3年以上使用され、そのうち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セルだけを交換すれば、費用は全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。
ニッケル亜鉛電池は何が違うのか？
では、データセンターがニッケル亜鉛電池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。
最初の大きな違いは、設計寿命です。
Gerchampのニッケル亜鉛電池（8XNFZ38）は、従来の鉛蓄電池がわずか3〜5年であるのに対し、10〜15年の設計寿命を備えています。
寿命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ことを意味します。5〜6年運用した後でも、ニッケル亜鉛ストリングは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、同じ年数を経た鉛蓄電池よりもはるかに優れています。単一セルが深刻に故障する確率は大幅に低くなります。
次に、故障モードが異なります。鉛蓄電池は経年劣化に伴い、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、その後まもなく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電池では、主に内部抵抗が徐々に増加します。突然の開回路や短絡は起こりにくく、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。仮に1セルの性能が低下しても、ストリングの残りは稼働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、深夜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、どの電池化学系であっても、ニッケル亜鉛を含め、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、ニッケル亜鉛電池は長期にわたってはるかに優れた一貫性を維持するということです。3〜4年後の鉛蓄電池ストリングで見られるような大きな差が生じにくいのです。つまり、UPS用ニッケル亜鉛電池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、より遅い時期に、しかもはるかに少ない頻度で発生します。
データセンター運用者への実践的なポイント
では、最初の質問に戻りましょう。UPS蓄電池のセルが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。これはコストを押し上げるためではありません。現場経験に基づいた合理的な選択です。1セルだけの交換で節約できる数百ドルは、運用コストの増加として何倍にもなって返ってくる可能性があります。さらに悪い場合には、防げたはずの停止につながります。
データセンターやAIDC施設向けに異なる電池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。データセンターの運用期間全体で見ると、電池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、ニッケル亜鉛電池は鉛蓄電池より初期費用が高い場合があります。しかし、2回または3回のストリング全交換を回避でき、材料費や作業費だけでなく、ダウンタイム調整に伴う負担もなくせます。高い可用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。