在汽车行业中，铝合金作为可行的低碳钢材料替代方案备受欢迎。本文从不同应用场景着手，研究减重率、回收材料含量、行驶里程和电力组合对汽车轻量化碳排放的影响。

经分析发现，较高的减重率、较高的回收铝含量以及长距离行驶里程这三个因素对铝合金汽车实现相对于低碳钢汽车的碳排放减少具有显著的正面效应。

敏感性分析表明，在铝合金汽车中，回收材料含量与行驶里程对其减排效果的影响尤为显著，相较之下，减重率在减排方面的作用则略显次要。

同时，在对不同电力组合进行分析后发现，若采用高碳排放的电力组合，将显著制约铝合金汽车在整体减排方面的潜能。

汽车轻量化为降低能源需求、提高燃油效率和减少车辆的温室气体排放提供了一种实用的解决方案。由于铝具有轻量化性质，铝能够在车辆运输中替代传统低碳钢并达到减少环境负面影响的作用。

近年来，众多学者围绕低碳钢汽车，针对铝合金与另一常见的轻量化材料-先进高强度钢在汽车使用中的减排效果进行了详尽的对比研究。

 • Goncalves 等人在其综述性分析中，对各种轻量化材料在车辆应用中的潜力进行了系统评估。他们基于低碳钢汽车的碳排放模型，得出结论：相较先进高强度钢，铝合金在减少温室气体排放方面展现出更为显著的优势。

 • 此外，Das 等人也在传统低碳钢汽车碳排放模型的基础上，对铝和先进高强度钢所能实现的CO2 减排量进行了深入剖析。他们发现，铝合金的应用能够减少约20%的CO2 排放。

 • Mayyas 等人则对汽车全生命周期内，铝和先进高强度钢相较于低碳钢在减少CO2 排放方面的表现进行了全面研究。研究结果表明，铝合金是一种更具可持续性的材料选择。特别是在车辆行驶里程达到150000 英里时，铝合金能够实现显著的减排效果，而先进高强度钢则未能达到同样的减排目标。

1 研究方法

1.1 汽车碳排放变化计算模型

（1）汽车生产阶段碳排放变化模型。

汽车生产使用的材料质量详见表1 和表2，数据参考Tang 等人的研究。

表1 低碳钢内燃机汽车的整车质量构成

表2 低碳钢电动汽车的整车质量构成

基准车辆和目标车辆的碳排放量在衡量碳排放变化时起着重要作用。公式（1）和（2）展示了计算基准模型生产阶段碳排放量的数学方法。

式中，C基准内燃机汽车表示基准内燃机汽车产生的总碳排放量；C基准电动汽车表示基准电动汽车产生的总碳排放量；C钢板表示低碳钢板产生的碳排放量； Σ C其余材料表示除低碳钢板外其余材料产生的碳排放总量。

生产低碳钢板的平均碳排放量为1.19t CO2e/t，范围为0.89 ～1.49t CO2e/t。除了低碳钢板外，其余材料的碳排放需要结合对应材料质量和碳排放因子或能源消耗值进行计算，碳排放因子和能源消耗值。一方面，为了确定铝合金汽车产生的碳排放，需要计算铝板材料以及其余材料产生的碳排放。铝板材料的碳排放将结合生产一吨铝板时产生的直接碳排放以及原材料的间接排放进行考虑。铝板生产过程包括铝板生产与原材料(铝土矿与废铝)运输过程。其中，铝板生产中的相关物料与能源投入，如图1 所示。

另一方面，原材料运输过程的碳排放关注陆路运输和海路运输。本文中，国内陆路运输依赖公路运输，约占国内陆路运输总量的23%。海路运输中进口铝土矿占所有铝土矿比例为54.6%，而进口废铝占所有废铝比例为25.5%。海上运输距离假设为平均距离9719 海里(nmi)，海上载货量为150000tonne，发动机功率为25720 马力(hp),海上平均速度为17 海里/小时(NMI/hr),海上往返燃油具有83%的满载功率因数和70%的空载功率因数。同时，假设港口到铝厂的平均覆盖距离为1405 km。对于运输阶段中的燃料方面，船舶利用重油，而柴油是卡车的主要燃料来源。选择的海上航线是从塞尔维亚到中国常熟，而公路路线则从常熟选取到深圳。

（2）汽车行驶阶段碳排放变化模型。

首先，公式（3）和（4）分别展示了基于基准车辆，计算目标内燃机汽车的燃料减少值与目标电动汽车的能源减少值的数学方法。

式中， Δ E减少值表示目标内燃机汽车产生的燃料减少值； Δ E减少值表示目标电动汽车产生的能源减少值；F燃料为固定值，单位为L/(100km×100kg)；E能源同样为固定值，单位为kWh/(100km×100kg)；D路程表示目标汽车的行驶距离； Δ M质量表示基于基准车辆，目标汽车的减重值。

1.2 敏感性分析

敏感性分析是一种有效的技术，有助于评估不同变量如何影响结果并确定不确定性的关键来源。该方法采用敏感性系数来衡量每个变量对结果的影响强度。公式（5）概述了如何计算敏感性系数。如果敏感性系数的绝对值较高，则表明当前变量对结果的影响较大，反之亦然。

式中，SC 表示敏感性系数； V% 表示不同变量的改变率； R% 表示对应结果的改变率。

（1）铝合金汽车与先进高强度钢汽车的场景。

以低碳钢汽车为基准，考虑了三种可能的减排措施，即：不同减重率、不同回收材料含量和不同里程这三种措施。铝合金和先进高强度钢汽车的减重率范围分别为30%～60%和15%～25%。同时，车辆行驶里程设置为30×104km。在内燃机汽车中，当铝合金减重率达到约33%时，铝合金内燃机汽车将不再产生额外的排放，即达到预期的环保标准。若将铝合金及先进高强度钢的减重率进一步提升至它们各自的平均减重率与最大减重率水平，分析显示，铝合金内燃机汽车相较先进高强度钢内燃机汽车，在碳排放减少方面表现出更为显著的优势，分别实现了1.3t CO2e 与6.5t CO2e 的额外减排。在电动汽车中，当铝合金和先进高强度钢的减重率维持在各自的平均水平时，铝合金电动汽车尚未展现出明显的减排效果。然而，当铝合金减重率提升至约50.3%时，铝合金电动汽车同样达到了预期的环保阈值，即不再产生额外的排放。进一步分析显示，在将铝合金及先进高强度钢的减重率推至最大水平后，铝合金电动汽车相较于先进高强度钢电动汽车，在减少碳排放方面也展现出显著的优势，实现了0.9t CO2e 的额外减排。

（2）代表性地区铝合金汽车的场景。

本部分探讨了代表性地区中不同电力组合对铝合金汽车碳排放的影响，这些区域被选定为上海、江苏、浙江、广东和广西。重要参数设置为：里程30×104km、减重率30%、回收含量50%。在行驶阶段中，清洁能源比例越高，减排量就越小。这意味着可再生能源虽然碳排放较低，但不能在行驶阶段减少排放，因为它只提供绿色电力。因此，与上海、江苏、浙江和广东地区相比，广西在行驶阶段的减排量相对较低的原因是因为使用清洁能源的比例更高。然而，高碳电力组合同样应用于生产阶段，在一定程度上阻碍了减排的整体努力。因此，对电力组合做出适时的优化对于实现有效减排至关重要。

2.2 敏感性分析结果

从前文情景研究中可得出如下结论：减重率、回收含量和里程均会影响铝合金汽车与先进高强度钢汽车场景中的铝合金汽车碳排放变化值。基于此，本节深入探讨了这些变量对铝合金汽车碳排放变化的影响强度。初始减重率设定为30%，初始回收含量设定为20%，初始里程设定为10×104km。敏感性系数的绝对值是变化的。铝合金汽车因其优越的回收性能和燃料或能源经济性，在回收含量和里程这两个关键变量上呈现出较高的敏感性系数绝对值。具体而言，铝合金汽车的回收含量和里程对其碳排放变化的影响更为显著。然而，铝合金汽车生产过程中存在较高的能源与物料消耗，这主要是由于铝作为一种能源密集型材料，其生产阶段对环境的影响不容忽视。

3 结语

本研究深入探讨了铝合金汽车在各种情境下的碳排放影响，主要从减重率、回收含量、里程和电力组合四个方面进行了分析，可以提出以下结论。

在铝合金汽车与先进高强度钢汽车的应用场景中，经研究发现减重率、回收含量以及里程这三个因素对铝合金汽车实现相对低碳钢汽车的碳排放减少具有显著的正面效应。具体而言，这种减排作用在以下阶段尤为突出：高减重率阶段、高回收含量阶段、长距离行驶里程阶段。

在代表性地区铝合金汽车的应用场景中，铝合金汽车的减排量与电力组合中的能源比例密切相关。需要综合考虑生产阶段和行驶阶段的电力组合，以确保铝合金汽车的最大化减排。

进一步对铝合金汽车与先进高强度钢汽车的应用场景下的碳排放敏感性进行深入分析，结果表明，相较其他因素，铝合金汽车的减重率对其碳排放变化的总体影响并不显著。与之相反，本研究发现，在铝合金汽车碳排放量的动态演变过程中，回收材料的含量和汽车行驶里程成为了核心敏感要素，对碳排放量的波动起着决定性作用。

来源：作者:肖婧1,2,3,4；【作者机构】 1西交利物浦大学智能工程学院； 2中铝材料应用研究院有限公司； 3南京工业大学； 4长三角先进材料研究院；期刊-《中国设备工程》 2025年第15期 pp.261-263；版权归原作者所有，仅用于技术/信息分享，非商业用途！若有涉侵权等告知，将及时删除，感谢关注！