データセンター運用でよくある疑問があります。数年使用した後の定期点検で、UPS蓄電池ストリング内に膨張したセルが1つ見つかりました。その電圧は低いものの、ほかのセルは正常に見えます。故障した1台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鉛蓄電池の内部抵抗は、一般的に0.015〜0.018Ωです。3〜5年使用された蓄電池では、内部抵抗が0.05Ω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。内部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、新しいセルは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、液減り、膨張を起こし、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。古いセルの低電圧が原因で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
蓄電池ストリングに関する規格では、セル間の開回路電圧差に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年後には、古いセルの容量が定格値の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。放電時には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つの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、その結果として生じるリスク、つまり追加故障、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、耐用年数です。
Gerchampのニッケル亜鉛電池（Gerchampは、8XNFG90に加え、8XNFZ38を含む、さまざまなUPS用途向けのNiZn電池モデルを提供しています。）は、従来の鉛蓄電池がわずか3〜5年であるのに対し、10〜15年の設計寿命を持ちます。
耐用年数が長いということは、時間が経過しても性能がより安定していることを意味します。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ライフサイクルの前半から中盤にあります。内部抵抗、電圧、容量のセル間ばらつきは、同じ年数を経た鉛蓄電池よりもはるかに小さくなります。1つのセルが大きく故障する確率も大幅に低くなります。
次に、故障モードが異なります。鉛蓄電池は劣化が進むにつれて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機能不全に陥ります。これに対して、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を起こすことはなく、鉛蓄電池のように膨張、酸漏れ、腐食性ガスの放出も発生しません。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、計画的な交換を組む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。しかし重要なのは、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点です。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が生じにくいのです。つまり、ニッケル亜鉛UPS蓄電池のライフサイクルでは、「1つの不良セル」というシナリオの発生がより遅く、頻度も大幅に少なくなります。
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おり、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なく、実際の現場経験に基づいた合理的な判断です。1つのセルだけを交換して数百ドルを節約しても、その節約分は運用コストの増加によって何倍にもなって戻ってくる可能性があります。さらに悪ければ、防げたはずの停止につながることもあります。
データセンターまたはAIDC施設向けに別の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。データセンターのライフサイクル全体で見ると、蓄電池交換の回数を大幅に減らせます。
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、ストリング全体の交換を2回または3回回避でき、材料費や作業費だけでなく、ダウンタイム調整の負担もなくせます。高可用性と低い保守負荷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。