#黑洞是如何形成的# 黑洞偏振照片发布！中科院上海天文台深度参与研究「中国科普博览」
北京时间2021年3月24日晚10点，曾成功捕获人类有史以来首张黑洞照片的事件视界望远镜（EHT）合作组织，又为揭秘M87超大质量黑洞提供了一个崭新视角：它在偏振光下的影像（图1）。
图1.（上）偏振光下M87超大质量黑洞的图像，图中线条标记了偏振的方向，它与黑洞阴影周围的磁场有关。（图片版权：EHT合作组织）
偏振片只允许特定方向的偏振光通过。下面这个动画显示了黑洞偏振图像在通过一个偏振平面不断旋转的偏振片后的变化。（视频版权：EHT合作组织）
大家还记得2019年EHT发布的首张黑洞照片吗？
图2. 2019年EHT发布的首张黑洞照片（图片版权：EHT合作组织。）
对比下这两张照片，是不是这次的新照片看起来清晰度更高一些？难道是EHT升级了望远镜阵列，像手机升级摄像头一样，提高了像素？并非如此。我们看到的新照片，其实与首张黑洞照片来自于同一批成像观测，但是这张“照片”是通过处理偏振信号获得的，所以我们称之为“黑洞在偏振光下的影像”。
这是天文学家第一次在如此接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息。该结果对理解距离我们5500万光年的M87星系如何产生能量巨大的喷流十分关键。
那么，什么是偏振呢？让我们从头说起。
什么是电磁波的偏振？
偏振（也称极化）是横波的一种属性，指横波在与其传播方向垂直的平面内沿着某一特定方向振荡的性质。光是一种电磁波，由耦合振荡的电场和磁场组成，而电场和磁场的振荡方向总是互相垂直的。在自由空间里，电磁波是以横波方式传播，即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向（图3，上）。按照常规，电磁波的“极化”方向指的是电场的振荡方向。
图3. （上）电磁波传播示意图。（下）非偏振的入射光经过线偏振片后成为线偏振光，再次经过四分之一波片之后变成（从接收端看）左旋圆偏振光。
如果电磁波的电场只在一个方向上振荡，则称为“线偏振”。若随着电磁波的传播，电场的振荡方向是以电磁波的波频率进行旋转，并且电场矢量的矢端随着时间勾绘出（椭）圆型，则称此电磁波为“（椭）圆偏振”；对于这两种情形，又可按照电场矢量旋转的方向分为“右旋（椭）圆偏振”和“左旋（椭）圆偏振”。
一般生活中的光，比如太阳光、白炽灯光等，振动在各个方向是均匀分布的，称为非偏振光。偏振光的产生可以通过多种方式实现，常见的方法是让非偏振光通过一个偏振片，只让沿着某特定方向偏振的光波通过。而线偏振光经过四分之一波片后可变为椭圆偏振光，并在特定角度下（当线偏振光的振荡方向与波片光轴方向成±45°时）变为圆偏振光（如图3,下图所示）。
为什么EHT能拍摄到黑洞边缘的偏振？
在射电天文领域，我们接收到的大部分天体信号是偏振光，例如黑洞产生的喷流，其射电波段的辐射对应的主要是相对论性电子（速度接近光速）在磁场中沿弧形轨道运动时所发出的光，专业名词称作同步加速辐射。
由于偏振辐射是个包含大小和方向的矢量，通常在小尺度致密区域探测到的偏振辐射比较明显，接近真实的情况，但若是没有足够的分辨本领探测这些区域内偏振辐射的话，观测到的偏振特征就会由于叠加效应而被削弱。
此外，由于不同致密区域的法拉第旋转等效应，即指在磁化介质中偏振的方向会发生旋转，会削弱偏振特征，也会造成在黑洞边缘区域难以探测到明显的偏振。值得注意的是，法拉第旋转效应所造成的偏振方向旋转的幅度跟波长的平方成正比，即波长越短，旋转幅度越不明显，其偏振的特征越不容易被削弱。
此次EHT能够拍摄到黑洞阴影周围的高分辨率偏振图像，主要归功于两点：一是EHT的高分辨本领，让科学家们能够分解开这些致密区域；二是观测波段在短毫米波段，从而大大削弱了法拉第旋转效应的影响。
怎样拍摄黑洞偏振图像？
此次获取的M87黑洞偏振图像与首张黑洞照片来自于同一次成像观测（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2019）。EHT在为黑洞进行拍照观测时就充分考虑到了偏振成像（江悟等，2019），因此，在接收和记录电磁波信号时，已将能恢复电磁波偏振信息的两路正交偏振信号采集并记录了下来。
为了获取2019年4月10日宣布的首张黑洞照片（总强度图），需处理各个台站间相同偏振方向的互相关数据。而为了获得此次发布的偏振图像，则更加复杂，还需要对所有台站之间的交叉偏振信号进行处理，其中的难点在于对台站偏振参数进行校准。所谓台站偏振参数，指各个台站实际接收偏振信号时，原本期待接收两路“干净”的偏振信号，但实际上接收的其中一路偏振信号，难免会“掺杂”有另一路偏振的信号。
图4.本文作者及合作者于2019年7月15日至19日在位于德国波恩的马普射电天文研究所进行的EHT偏振校准工作会议期间合影。这次会议主要是针对M87偏振观测数据的校准及成像。（照片来源： E. Traianou/马普射电天文研究所。）
为了能及时对M87黑洞进行偏振成像，在首张黑洞照片发布后的第3个月，EHT合作组便在位于德国波恩的马普射电天文研究所举行了为期一周的主题为偏振校准及成像的工作会议（图4，上）。
如今回想起来，当时会议过程也是一波三折。由于一开始用预选的校准源来对M87的偏振数据进行校准测试，并没有得到预想的结果，大家都开始担心起来。直到会期中间，替换了另外的校准源，且直接用M87的观测数据本身做偏振校准，结果不同的小组利用不同方法都可以得到比较一致的初步结果（图4，下）。大家这才发现，由于预选的校准源偏振结构复杂，并不适合用作校准源。这时大家才放下心来。后来，又经过长期的工作和反复讨论，才最终敲定黑洞偏振图像的结果（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021a）。
偏振图像可以告诉我们什么？
EHT在事件视界尺度上对M87超大质量黑洞周围的偏振辐射进行的成像，可以用来探测黑洞附近磁场和等离子体的性质，从而理解黑洞如何“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021b）。
观测发现黑洞图像的线偏振度较低,表明偏振结构在比EHT的分辨本领更小的尺度上被扰乱，这或许是由黑洞周围辐射区域内局部的法拉第旋转所造成。同时，图1中的线条（偏振的方向）所展示的图案意味着该辐射区域存在有序的磁场结构。
通过与广义相对论磁流体动力学理论模拟生成的大量黑洞偏振图像的定量比较，研究团队发现，只有以强磁化气体为特征的理论模型才能解释在事件视界看到的情况并产生足够强的相对论性喷流。这些成功的模型可进一步推断M87中黑洞的物质吸积率的大小（即黑洞吞噬物质的快慢），即每千年吞噬0.3到2倍太阳质量的物质。这些结论大大加深了我们对黑洞周围物理环境的理解。
下一步和未来
从观测上直接接近黑洞的边缘，从而在几个史瓦西半径的尺度上不断探索黑洞周围的时空特性和物理过程，这代表着人类认识宇宙手段的一大突破。
然而，目前的EHT阵列中，望远镜数目仍然较少，基线覆盖还比较稀疏,尤其是，由于银心黑洞受到星际散射的影响以及相比目前成像所需时间（数个小时）要快得多的结构变化，成像并非易事。
鉴于此，EHT合作在M87黑洞首次成像后，提出了下一代EHT计划（即next generation EHT, ngEHT），计划在近10年内完成。ngEHT计划通过在地球上布设更多的亚毫米波望远镜、增加观测灵敏度及频率覆盖等来提升黑洞成像的质量并提供更多观测信息，尤其是要提升成像速度以进一步制作黑洞“动画” (Blackburn et al. 2019)。
同时，国际上也在探讨、预研空间亚毫米波阵列（Haworth et al. 2019），以此进一步提升黑洞成像的质量及效率。
由于地球的自转，东亚地区的台站将会是拍摄黑洞动画所需的成像接力中不可或缺的部分。目前，日韩等都已在积极致力于这一国际努力。例如，韩国目前正在平昌建设新的亚毫米波望远镜，有望在未来几年内加入EHT阵列。实际上，由于中国幅员辽阔并且存在优良的亚毫米波望远镜台址（如西部地区），若是在这些地区布设亚毫米波望远镜的话将会提供黑洞成像/摄像所需的独特基线覆盖。
如果说我们目前已经积极参与到黑洞成像这一国际合作项目的话（路如森等，2019），在黑洞成像/摄像开展得如火如荼的今天，笔者不禁思考：我国何时才能拥有一台真正属于自己的亚毫米波（VLBI）望远镜甚至一个阵列？
希望这一天离我们不太遥远。
#微博公开课# #微博新知博主#
北京时间2021年3月24日晚10点，曾成功捕获人类有史以来首张黑洞照片的事件视界望远镜（EHT）合作组织，又为揭秘M87超大质量黑洞提供了一个崭新视角：它在偏振光下的影像（图1）。
图1.（上）偏振光下M87超大质量黑洞的图像，图中线条标记了偏振的方向，它与黑洞阴影周围的磁场有关。（图片版权：EHT合作组织）
偏振片只允许特定方向的偏振光通过。下面这个动画显示了黑洞偏振图像在通过一个偏振平面不断旋转的偏振片后的变化。（视频版权：EHT合作组织）
大家还记得2019年EHT发布的首张黑洞照片吗？
图2. 2019年EHT发布的首张黑洞照片（图片版权：EHT合作组织。）
对比下这两张照片，是不是这次的新照片看起来清晰度更高一些？难道是EHT升级了望远镜阵列，像手机升级摄像头一样，提高了像素？并非如此。我们看到的新照片，其实与首张黑洞照片来自于同一批成像观测，但是这张“照片”是通过处理偏振信号获得的，所以我们称之为“黑洞在偏振光下的影像”。
这是天文学家第一次在如此接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息。该结果对理解距离我们5500万光年的M87星系如何产生能量巨大的喷流十分关键。
那么，什么是偏振呢？让我们从头说起。
什么是电磁波的偏振？
偏振（也称极化）是横波的一种属性，指横波在与其传播方向垂直的平面内沿着某一特定方向振荡的性质。光是一种电磁波，由耦合振荡的电场和磁场组成，而电场和磁场的振荡方向总是互相垂直的。在自由空间里，电磁波是以横波方式传播，即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向（图3，上）。按照常规，电磁波的“极化”方向指的是电场的振荡方向。
图3. （上）电磁波传播示意图。（下）非偏振的入射光经过线偏振片后成为线偏振光，再次经过四分之一波片之后变成（从接收端看）左旋圆偏振光。
如果电磁波的电场只在一个方向上振荡，则称为“线偏振”。若随着电磁波的传播，电场的振荡方向是以电磁波的波频率进行旋转，并且电场矢量的矢端随着时间勾绘出（椭）圆型，则称此电磁波为“（椭）圆偏振”；对于这两种情形，又可按照电场矢量旋转的方向分为“右旋（椭）圆偏振”和“左旋（椭）圆偏振”。
一般生活中的光，比如太阳光、白炽灯光等，振动在各个方向是均匀分布的，称为非偏振光。偏振光的产生可以通过多种方式实现，常见的方法是让非偏振光通过一个偏振片，只让沿着某特定方向偏振的光波通过。而线偏振光经过四分之一波片后可变为椭圆偏振光，并在特定角度下（当线偏振光的振荡方向与波片光轴方向成±45°时）变为圆偏振光（如图3,下图所示）。
为什么EHT能拍摄到黑洞边缘的偏振？
在射电天文领域，我们接收到的大部分天体信号是偏振光，例如黑洞产生的喷流，其射电波段的辐射对应的主要是相对论性电子（速度接近光速）在磁场中沿弧形轨道运动时所发出的光，专业名词称作同步加速辐射。
由于偏振辐射是个包含大小和方向的矢量，通常在小尺度致密区域探测到的偏振辐射比较明显，接近真实的情况，但若是没有足够的分辨本领探测这些区域内偏振辐射的话，观测到的偏振特征就会由于叠加效应而被削弱。
此外，由于不同致密区域的法拉第旋转等效应，即指在磁化介质中偏振的方向会发生旋转，会削弱偏振特征，也会造成在黑洞边缘区域难以探测到明显的偏振。值得注意的是，法拉第旋转效应所造成的偏振方向旋转的幅度跟波长的平方成正比，即波长越短，旋转幅度越不明显，其偏振的特征越不容易被削弱。
此次EHT能够拍摄到黑洞阴影周围的高分辨率偏振图像，主要归功于两点：一是EHT的高分辨本领，让科学家们能够分解开这些致密区域；二是观测波段在短毫米波段，从而大大削弱了法拉第旋转效应的影响。
怎样拍摄黑洞偏振图像？
此次获取的M87黑洞偏振图像与首张黑洞照片来自于同一次成像观测（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2019）。EHT在为黑洞进行拍照观测时就充分考虑到了偏振成像（江悟等，2019），因此，在接收和记录电磁波信号时，已将能恢复电磁波偏振信息的两路正交偏振信号采集并记录了下来。
为了获取2019年4月10日宣布的首张黑洞照片（总强度图），需处理各个台站间相同偏振方向的互相关数据。而为了获得此次发布的偏振图像，则更加复杂，还需要对所有台站之间的交叉偏振信号进行处理，其中的难点在于对台站偏振参数进行校准。所谓台站偏振参数，指各个台站实际接收偏振信号时，原本期待接收两路“干净”的偏振信号，但实际上接收的其中一路偏振信号，难免会“掺杂”有另一路偏振的信号。
图4.本文作者及合作者于2019年7月15日至19日在位于德国波恩的马普射电天文研究所进行的EHT偏振校准工作会议期间合影。这次会议主要是针对M87偏振观测数据的校准及成像。（照片来源： E. Traianou/马普射电天文研究所。）
为了能及时对M87黑洞进行偏振成像，在首张黑洞照片发布后的第3个月，EHT合作组便在位于德国波恩的马普射电天文研究所举行了为期一周的主题为偏振校准及成像的工作会议（图4，上）。
如今回想起来，当时会议过程也是一波三折。由于一开始用预选的校准源来对M87的偏振数据进行校准测试，并没有得到预想的结果，大家都开始担心起来。直到会期中间，替换了另外的校准源，且直接用M87的观测数据本身做偏振校准，结果不同的小组利用不同方法都可以得到比较一致的初步结果（图4，下）。大家这才发现，由于预选的校准源偏振结构复杂，并不适合用作校准源。这时大家才放下心来。后来，又经过长期的工作和反复讨论，才最终敲定黑洞偏振图像的结果（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021a）。
偏振图像可以告诉我们什么？
EHT在事件视界尺度上对M87超大质量黑洞周围的偏振辐射进行的成像，可以用来探测黑洞附近磁场和等离子体的性质，从而理解黑洞如何“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021b）。
观测发现黑洞图像的线偏振度较低,表明偏振结构在比EHT的分辨本领更小的尺度上被扰乱，这或许是由黑洞周围辐射区域内局部的法拉第旋转所造成。同时，图1中的线条（偏振的方向）所展示的图案意味着该辐射区域存在有序的磁场结构。
通过与广义相对论磁流体动力学理论模拟生成的大量黑洞偏振图像的定量比较，研究团队发现，只有以强磁化气体为特征的理论模型才能解释在事件视界看到的情况并产生足够强的相对论性喷流。这些成功的模型可进一步推断M87中黑洞的物质吸积率的大小（即黑洞吞噬物质的快慢），即每千年吞噬0.3到2倍太阳质量的物质。这些结论大大加深了我们对黑洞周围物理环境的理解。
下一步和未来
从观测上直接接近黑洞的边缘，从而在几个史瓦西半径的尺度上不断探索黑洞周围的时空特性和物理过程，这代表着人类认识宇宙手段的一大突破。
然而，目前的EHT阵列中，望远镜数目仍然较少，基线覆盖还比较稀疏,尤其是，由于银心黑洞受到星际散射的影响以及相比目前成像所需时间（数个小时）要快得多的结构变化，成像并非易事。
鉴于此，EHT合作在M87黑洞首次成像后，提出了下一代EHT计划（即next generation EHT, ngEHT），计划在近10年内完成。ngEHT计划通过在地球上布设更多的亚毫米波望远镜、增加观测灵敏度及频率覆盖等来提升黑洞成像的质量并提供更多观测信息，尤其是要提升成像速度以进一步制作黑洞“动画” (Blackburn et al. 2019)。
同时，国际上也在探讨、预研空间亚毫米波阵列（Haworth et al. 2019），以此进一步提升黑洞成像的质量及效率。
由于地球的自转，东亚地区的台站将会是拍摄黑洞动画所需的成像接力中不可或缺的部分。目前，日韩等都已在积极致力于这一国际努力。例如，韩国目前正在平昌建设新的亚毫米波望远镜，有望在未来几年内加入EHT阵列。实际上，由于中国幅员辽阔并且存在优良的亚毫米波望远镜台址（如西部地区），若是在这些地区布设亚毫米波望远镜的话将会提供黑洞成像/摄像所需的独特基线覆盖。
如果说我们目前已经积极参与到黑洞成像这一国际合作项目的话（路如森等，2019），在黑洞成像/摄像开展得如火如荼的今天，笔者不禁思考：我国何时才能拥有一台真正属于自己的亚毫米波（VLBI）望远镜甚至一个阵列？
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#微博公开课# #微博新知博主#
#天舟四号成功发射# 话说这些年中国航天真的成为了让全球华人的感到很自豪的事情。
每次看航天活动的油管直播，从之前的神舟发射到两次太空课堂再到这次的天舟发射，都能看到台湾同胞，还有世界各地的华侨华人在聊天区边看边聊，为每次任务送上祝福，成功后共同庆祝。
上两次的课尤为明显，因为真的可以听到由中国航天员，在自己的空间站里，中国学生互动参与，为所有说中文的孩子们制作的太空科学节目。这些仿佛都是西方先进国家专属，能看个字幕就不错了，以前根本没想过的事情。
而这次看很好玩的是网友们开始在下面接北京明白的梗，加上自己所在的地理位置，变成____明白。
应该说，中国的航天事业给了很多海外的华人，特别是孩子们，在复杂的身份认同过程中，很强的信心和启发。也能看到有台湾同胞，也因此更加认同祖国，期待统一后的未来。
脚踏土地，眼望星空。致敬航空工作者。致又一个成功发射的夜晚。
#微博新知博主#
每次看航天活动的油管直播，从之前的神舟发射到两次太空课堂再到这次的天舟发射，都能看到台湾同胞，还有世界各地的华侨华人在聊天区边看边聊，为每次任务送上祝福，成功后共同庆祝。
上两次的课尤为明显，因为真的可以听到由中国航天员，在自己的空间站里，中国学生互动参与，为所有说中文的孩子们制作的太空科学节目。这些仿佛都是西方先进国家专属，能看个字幕就不错了，以前根本没想过的事情。
而这次看很好玩的是网友们开始在下面接北京明白的梗，加上自己所在的地理位置，变成____明白。
应该说，中国的航天事业给了很多海外的华人，特别是孩子们，在复杂的身份认同过程中，很强的信心和启发。也能看到有台湾同胞，也因此更加认同祖国，期待统一后的未来。
脚踏土地，眼望星空。致敬航空工作者。致又一个成功发射的夜晚。
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【新能源的三大流派：换电、充电、氢燃料，到底哪一个会是未来？】
[威武]一、乘用车：充电逐渐成熟，换电拼死一搏
首先，充电基本设施一直在稳步发展，多层次的充电方式满足不同场景。每个场景均存在一些问题，但改进的路径是清晰的：
- 家用慢充：无论充电换电，家用慢充都是最主要的补能方式。从古老的3.3kW到如今主流的7.7kW，将来可能还会有11kW-20kW的三相交流慢充甚至无线充电。从小区整体来看，未来需要有序充电、公共电桩等方式来解决配电额度问题。
- 商场慢充：大型商场停车场逐渐开始有充电桩，多为7.7kW慢充；品牌的超充桩也在这里建设，功率可达80-150kW。实际上，这种停车2-4小时的场景，慢充太慢，快充太快（建设成本高，需要提前挪车），最适合的应该是20kW的「中速充电」。
目的地慢充：度假酒店的慢充，现在普及的还比较少，实际上非常实用必要。不必快充，慢充即可。
- 城市快充： 没有家用充电桩的话，城市快充就成了主要的补能方式。一般建于商场停车场或专用停车场，很多品牌专属桩也属于此形式。
- 高速快充： 这是目前最薄弱的环节，高速上建桩比较困难（牵扯单位比较多）、旺季淡季的客流量差异也大，盈利困难。特斯拉、小鹏等头部新势力也在发力超快充。
可以看到，从补能方式的角度来讲，换电模式在场景4与5的优势很大，但场景1、2、3并没有什么优势。
总体来说，就算没人发展换电了，仅发展充电模式也并不存在解决不了的根本难题。换电起步比较晚，要想占据一席之地，就需要有不可替代的优势。
[威武]1. 换电难并不等于蔚来难
私家乘用车领域，说要换电必提蔚来。我上面说换电拼死一博，并不是说蔚来拼死一搏 —— 蔚来这家企业发展形势乐观，以换电为核心的服务也成为品牌优势之一，可以说蔚来已经把换电模式做到了商业闭环的程度。
但是，蔚来的换电只能给蔚来车主来用，虽然蔚来说换电技术是公开给其它企业的，但目前看不到其它车企真的基本蔚来换电平台开发的可能性。
这既有商业竞争上的考虑，也有换电模式对产品设计制约的考虑 —— 蔚来的通用电池包不算小，所以ES8、ES6、ET7都是大车，ET5算是中等尺寸的车但是很宽，这样的车一般定价都不会低。蔚来品牌可以撑得起这个价格，其它自主品牌车企有信心撑起这个价格吗？
所以，蔚来换电成功≠换电模式崛起。
[威武]2. 蔚来换电有可能服务于全行业吗
中石化与蔚来展开了合作，一年合作建立了175年换电站，可以说双方都是真金白银的投入。【图1】
显然，中石化搞这些事情肯定不是为蔚来锦上添花的，而是想借这个契机将「加油站」转化为「综合补能站」 —— 既能加油，也能充电、换电、加氢，以确保自己在中国双碳战略中不掉队。
但是，怎么才能将蔚来换电推广给全行业？ 在推广过程中，中石化与蔚来分别扮演什么角色？ 这一切变数很大，我们不好估计。站在今天这个时间点，我们只能说：蔚来换电成功≠换电模式崛起。
[威武]3. 换电的根本优势是什么？
提起换电优势，我们想的是场景4与5的便利：就像加油一样的3分钟换电，比充电1小时方便多了。此外，还避免了大功率充电对电网的冲击、对电容量的要求低。【图2】
实际上，这点优势超快充也能实现，比如即将发布的小鹏G9，基于800V平台可以实现5分钟充200公里。实际上，充电功率达到400kW这个水平之后，换电/充电是3分钟还是10分钟，对消费者并没有什么区别了，除非你正在跑F1。
480kW对电网的冲击是很大的，这点劣势怎么破？ 自建储能可以破：储能电池平时充电就行，这和换电电池仓库平时慢充是差不多的。【图3】
所以，将目光往未来看个两三年，补能速度并不是换电的根本优势。如果只关注补能速度，就会觉得换电没有前途，超充一统江湖。
换电的根本优势是什么呢？ 需要从宁德时代发布的换电品牌EVOGO和「巧克力换电块」上寻找答案。
宁德换电的主要意义在于「可掰开可组合」。【图4】
为什么说「可掰开可组合」非常重要，因为它指出了电动汽车的一个根本问题：一个80度电的长续航电动车，其中前26度是高频使用的电，中间26度是低频使用的电，后26度是应急使用的电。
从消费者的角度来讲，前26度最值钱，但后52度又不得不买。从产品角度来讲，虽然大部分情况下使用的是前26/52度电，但26度电池的重量每时每刻都在承担着。
总结一下这种「可掰开可组合」换电模式的意义：
- 消费者角度：只需要花一半的电池钱，就可以满足日常短途通勤+偶尔长途自驾的全部需求。
- 行业角度：车重降低20%，相当于碳减排20%，这么大的收益，光从电机效率上是扣不回来的；降低了全行业的锂资源消耗，促进行业健康发展。
这才是换电模式的根本意义，也是充电模式不可能实现的效果。【图5】
[威武]4. 换电的根本劣势是什么？
考虑换电的根本劣势，我们需要做一个思想试验： 假设宁德时代的EVOGO「巧克力换电块」已经搞成功了，那是不是所有车企都会选择兼容呢？
你的回答也许是肯定的。因为兼容了「巧克力换电块」，就意味着低成本实现了超快充、多了很多第三方换电站、降低了整车成本，这对产品竞争力的增强是显而易见的。反过来，如果不兼容的话，可能就卖不出去了。【图6】
我们不只能看到好处，还要看到代价：无法采用液冷、整包能量密度较低、无法采用底盘电池一体化技术。
总体来说，就是采用「巧克力电池包」不利于打造极致的产品，因而不适用于头部车企。必须指出的是，所谓的极致是相对而言的，「巧克力电池包」的技术本身并不差，只是不极致：
- 能量密度高：在可掰开、可灵活组合的前提下，能量密度高达160Wh/kg、体积能量密度高达325Wh/L，性能表现非常优秀！—— 可以查一下，2022年的一些电动车能量密度还不到160Wh/kg。
- CTP技术：能实现这么高的能量密度，离不开宁德时代的CTP(Cell to Pack)技术 —— 电芯直接组成电池包，省去了模组(Module)这一步。
- 无线BMS技术：这项前沿技术使换电块外部只有高压正负接口，提高插拔部件的可靠性。另外一家用上无线BMS技术的就是凯迪拉克Lyriq，但不像「巧克力换电块」可以把这项技术的优势发挥得这么彻底。
还有一个额外的代价，目前还没显现出来：选择了换电，就拒绝了「底盘电池一体化」技术路线。
特斯拉 Structure Battery【图7】
所以我们可以看到，就算宁德时代「巧克力换电块」的换电模式做成功了，也不可能一统江湖。那时候的电动车，会呈现两极分化的趋势：
- 追求极致的集成化：采用「底盘电池一体化」技术，降低车重、提升空间利用率、降低成本，打造极致的车型。因为电池包比较贵，所以相对来说更适合做中高端车型。
- 追求极致的灵活性：采用宁德时代的「巧克力换电块」，平时只装一块电池，长途装三块电池，既省钱又灵活，换电也方便，追求极致的经济性，相对来说更适合做平价家用车型
。
注意，以上这种假设，是基于宁德时代EVOGO能做成功。现在它才刚刚起步，而且在to C领域也没有成功的经验，未来能不能搞成功还很难讲。
如果搞不成的话，将来的格局很可能是蔚来换电一枝独秀，网约车出租车换电有一席之地，其它私家电动车全部充电模式。所以说：充电逐渐成熟，换电拼死一搏。
[威武]二、商用车：重卡虽少但重要，氢能与换电在角逐
商用的种类特别多，微卡、轻卡、皮卡、客车、重卡。除重卡外，其它几种类型的电动化路线都很显然：纯电+充电。【图8】
从绝对数量上来说，重卡也不多，但不可轻视：商用车碳排放占所有车的64.6%，而重卡占商用车83.5%。也就是说，这1000多万辆重卡的碳排放，比所有轿车SUV加起来还多！
解决了重卡的新能源问题，就建成了汽车电动化的半壁江山啊。
重卡的充电模式存在难以解决的难题：【图9】
- 充电时间：乘用车90%的时间都是闲置的，大部分情况下搁家里慢慢充就行；商用客车、轻卡也不需要24小时连轴跑。重卡不行，一般是两班倒不停地开，要是充个10小时的电，相当于运力减一半，划不来啊！麦肯锡出过一个报告，说德国纯电重卡充电比换电好，主要是国情不一样，他们国土面积小，重卡不是两班倒。
大电池占用运力、成本高：电动乘用车2吨重，坐人载货最多400公斤；重卡不一样，装个几十吨货拉走，这就需要超级大的电池。但电池本身也重，占用运气，赚钱效率又低了；电池也贵，初期成本高，也更难赚钱。
- 路线固定：重卡一般就在干线上跑，不进城市，所以这降低了对加氢站、换电站的选址要求。
考虑到锂电技术再有大突破很困难，所以氢燃料电池重卡基本上是立于不败之地的。换个角度，氢能和燃油的属性相似，就凭这一点，锂电池是很难追上能量密度的，这也就决定了氢燃料电池在重卡领域的不败之地：
氢燃料电池立于不败之地，换电重卡能吃掉多少份额，要看它在十四五规划的五年间都取得多大进展了。【图10】
从这个意义上来说，氢能与纯电之争，主要只体现在重卡领域了。
有人说特斯拉Semitruck满载36吨的续航800公里，充电30分钟可以600公里。这听起来也很不错，为啥咱们不走这个路线呢？关于这个问题，我还没仔细研究，大体估摸着应该是成本、安全性、充电电网冲击待方面存在困难。有空再研究吧！本文就不展开了。
[威武]小结
- 乘用车领域：充电技术逐渐完善，立于不败之地；蔚来换电只是企业行为，难以拓展为全行业；宁德换电对行业有意义，但起步较晚能否做成需要观察。
- 商用车领域：聚焦到重卡领域，充电重卡存在困难，氢能重卡立于不败之地，换电重卡在未来5年努力发展，争取份额。
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[威武]一、乘用车：充电逐渐成熟，换电拼死一搏
首先，充电基本设施一直在稳步发展，多层次的充电方式满足不同场景。每个场景均存在一些问题，但改进的路径是清晰的：
- 家用慢充：无论充电换电，家用慢充都是最主要的补能方式。从古老的3.3kW到如今主流的7.7kW，将来可能还会有11kW-20kW的三相交流慢充甚至无线充电。从小区整体来看，未来需要有序充电、公共电桩等方式来解决配电额度问题。
- 商场慢充：大型商场停车场逐渐开始有充电桩，多为7.7kW慢充；品牌的超充桩也在这里建设，功率可达80-150kW。实际上，这种停车2-4小时的场景，慢充太慢，快充太快（建设成本高，需要提前挪车），最适合的应该是20kW的「中速充电」。
目的地慢充：度假酒店的慢充，现在普及的还比较少，实际上非常实用必要。不必快充，慢充即可。
- 城市快充： 没有家用充电桩的话，城市快充就成了主要的补能方式。一般建于商场停车场或专用停车场，很多品牌专属桩也属于此形式。
- 高速快充： 这是目前最薄弱的环节，高速上建桩比较困难（牵扯单位比较多）、旺季淡季的客流量差异也大，盈利困难。特斯拉、小鹏等头部新势力也在发力超快充。
可以看到，从补能方式的角度来讲，换电模式在场景4与5的优势很大，但场景1、2、3并没有什么优势。
总体来说，就算没人发展换电了，仅发展充电模式也并不存在解决不了的根本难题。换电起步比较晚，要想占据一席之地，就需要有不可替代的优势。
[威武]1. 换电难并不等于蔚来难
私家乘用车领域，说要换电必提蔚来。我上面说换电拼死一博，并不是说蔚来拼死一搏 —— 蔚来这家企业发展形势乐观，以换电为核心的服务也成为品牌优势之一，可以说蔚来已经把换电模式做到了商业闭环的程度。
但是，蔚来的换电只能给蔚来车主来用，虽然蔚来说换电技术是公开给其它企业的，但目前看不到其它车企真的基本蔚来换电平台开发的可能性。
这既有商业竞争上的考虑，也有换电模式对产品设计制约的考虑 —— 蔚来的通用电池包不算小，所以ES8、ES6、ET7都是大车，ET5算是中等尺寸的车但是很宽，这样的车一般定价都不会低。蔚来品牌可以撑得起这个价格，其它自主品牌车企有信心撑起这个价格吗？
所以，蔚来换电成功≠换电模式崛起。
[威武]2. 蔚来换电有可能服务于全行业吗
中石化与蔚来展开了合作，一年合作建立了175年换电站，可以说双方都是真金白银的投入。【图1】
显然，中石化搞这些事情肯定不是为蔚来锦上添花的，而是想借这个契机将「加油站」转化为「综合补能站」 —— 既能加油，也能充电、换电、加氢，以确保自己在中国双碳战略中不掉队。
但是，怎么才能将蔚来换电推广给全行业？ 在推广过程中，中石化与蔚来分别扮演什么角色？ 这一切变数很大，我们不好估计。站在今天这个时间点，我们只能说：蔚来换电成功≠换电模式崛起。
[威武]3. 换电的根本优势是什么？
提起换电优势，我们想的是场景4与5的便利：就像加油一样的3分钟换电，比充电1小时方便多了。此外，还避免了大功率充电对电网的冲击、对电容量的要求低。【图2】
实际上，这点优势超快充也能实现，比如即将发布的小鹏G9，基于800V平台可以实现5分钟充200公里。实际上，充电功率达到400kW这个水平之后，换电/充电是3分钟还是10分钟，对消费者并没有什么区别了，除非你正在跑F1。
480kW对电网的冲击是很大的，这点劣势怎么破？ 自建储能可以破：储能电池平时充电就行，这和换电电池仓库平时慢充是差不多的。【图3】
所以，将目光往未来看个两三年，补能速度并不是换电的根本优势。如果只关注补能速度，就会觉得换电没有前途，超充一统江湖。
换电的根本优势是什么呢？ 需要从宁德时代发布的换电品牌EVOGO和「巧克力换电块」上寻找答案。
宁德换电的主要意义在于「可掰开可组合」。【图4】
为什么说「可掰开可组合」非常重要，因为它指出了电动汽车的一个根本问题：一个80度电的长续航电动车，其中前26度是高频使用的电，中间26度是低频使用的电，后26度是应急使用的电。
从消费者的角度来讲，前26度最值钱，但后52度又不得不买。从产品角度来讲，虽然大部分情况下使用的是前26/52度电，但26度电池的重量每时每刻都在承担着。
总结一下这种「可掰开可组合」换电模式的意义：
- 消费者角度：只需要花一半的电池钱，就可以满足日常短途通勤+偶尔长途自驾的全部需求。
- 行业角度：车重降低20%，相当于碳减排20%，这么大的收益，光从电机效率上是扣不回来的；降低了全行业的锂资源消耗，促进行业健康发展。
这才是换电模式的根本意义，也是充电模式不可能实现的效果。【图5】
[威武]4. 换电的根本劣势是什么？
考虑换电的根本劣势，我们需要做一个思想试验： 假设宁德时代的EVOGO「巧克力换电块」已经搞成功了，那是不是所有车企都会选择兼容呢？
你的回答也许是肯定的。因为兼容了「巧克力换电块」，就意味着低成本实现了超快充、多了很多第三方换电站、降低了整车成本，这对产品竞争力的增强是显而易见的。反过来，如果不兼容的话，可能就卖不出去了。【图6】
我们不只能看到好处，还要看到代价：无法采用液冷、整包能量密度较低、无法采用底盘电池一体化技术。
总体来说，就是采用「巧克力电池包」不利于打造极致的产品，因而不适用于头部车企。必须指出的是，所谓的极致是相对而言的，「巧克力电池包」的技术本身并不差，只是不极致：
- 能量密度高：在可掰开、可灵活组合的前提下，能量密度高达160Wh/kg、体积能量密度高达325Wh/L，性能表现非常优秀！—— 可以查一下，2022年的一些电动车能量密度还不到160Wh/kg。
- CTP技术：能实现这么高的能量密度，离不开宁德时代的CTP(Cell to Pack)技术 —— 电芯直接组成电池包，省去了模组(Module)这一步。
- 无线BMS技术：这项前沿技术使换电块外部只有高压正负接口，提高插拔部件的可靠性。另外一家用上无线BMS技术的就是凯迪拉克Lyriq，但不像「巧克力换电块」可以把这项技术的优势发挥得这么彻底。
还有一个额外的代价，目前还没显现出来：选择了换电，就拒绝了「底盘电池一体化」技术路线。
特斯拉 Structure Battery【图7】
所以我们可以看到，就算宁德时代「巧克力换电块」的换电模式做成功了，也不可能一统江湖。那时候的电动车，会呈现两极分化的趋势：
- 追求极致的集成化：采用「底盘电池一体化」技术，降低车重、提升空间利用率、降低成本，打造极致的车型。因为电池包比较贵，所以相对来说更适合做中高端车型。
- 追求极致的灵活性：采用宁德时代的「巧克力换电块」，平时只装一块电池，长途装三块电池，既省钱又灵活，换电也方便，追求极致的经济性，相对来说更适合做平价家用车型
。
注意，以上这种假设，是基于宁德时代EVOGO能做成功。现在它才刚刚起步，而且在to C领域也没有成功的经验，未来能不能搞成功还很难讲。
如果搞不成的话，将来的格局很可能是蔚来换电一枝独秀，网约车出租车换电有一席之地，其它私家电动车全部充电模式。所以说：充电逐渐成熟，换电拼死一搏。
[威武]二、商用车：重卡虽少但重要，氢能与换电在角逐
商用的种类特别多，微卡、轻卡、皮卡、客车、重卡。除重卡外，其它几种类型的电动化路线都很显然：纯电+充电。【图8】
从绝对数量上来说，重卡也不多，但不可轻视：商用车碳排放占所有车的64.6%，而重卡占商用车83.5%。也就是说，这1000多万辆重卡的碳排放，比所有轿车SUV加起来还多！
解决了重卡的新能源问题，就建成了汽车电动化的半壁江山啊。
重卡的充电模式存在难以解决的难题：【图9】
- 充电时间：乘用车90%的时间都是闲置的，大部分情况下搁家里慢慢充就行；商用客车、轻卡也不需要24小时连轴跑。重卡不行，一般是两班倒不停地开，要是充个10小时的电，相当于运力减一半，划不来啊！麦肯锡出过一个报告，说德国纯电重卡充电比换电好，主要是国情不一样，他们国土面积小，重卡不是两班倒。
大电池占用运力、成本高：电动乘用车2吨重，坐人载货最多400公斤；重卡不一样，装个几十吨货拉走，这就需要超级大的电池。但电池本身也重，占用运气，赚钱效率又低了；电池也贵，初期成本高，也更难赚钱。
- 路线固定：重卡一般就在干线上跑，不进城市，所以这降低了对加氢站、换电站的选址要求。
考虑到锂电技术再有大突破很困难，所以氢燃料电池重卡基本上是立于不败之地的。换个角度，氢能和燃油的属性相似，就凭这一点，锂电池是很难追上能量密度的，这也就决定了氢燃料电池在重卡领域的不败之地：
氢燃料电池立于不败之地，换电重卡能吃掉多少份额，要看它在十四五规划的五年间都取得多大进展了。【图10】
从这个意义上来说，氢能与纯电之争，主要只体现在重卡领域了。
有人说特斯拉Semitruck满载36吨的续航800公里，充电30分钟可以600公里。这听起来也很不错，为啥咱们不走这个路线呢？关于这个问题，我还没仔细研究，大体估摸着应该是成本、安全性、充电电网冲击待方面存在困难。有空再研究吧！本文就不展开了。
[威武]小结
- 乘用车领域：充电技术逐渐完善，立于不败之地；蔚来换电只是企业行为，难以拓展为全行业；宁德换电对行业有意义，但起步较晚能否做成需要观察。
- 商用车领域：聚焦到重卡领域，充电重卡存在困难，氢能重卡立于不败之地，换电重卡在未来5年努力发展，争取份额。
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