随着航天事业的发展,逐渐变得复杂严峻的航天探测任务不但使执行任务的探测器面临着巨大的挑战,同时也对探测器的供电系统有了更加严格的要求。与燃料电池、太阳能电池相比,同位素温差电池因其电池内部无运动部件、工作寿命可达十年以上、工作不受外部环境影响等独特优点在航天探测任务中扮演了越来越重要的角色。目前,国内做了很多关于同位素温差电池的研究,但从已公开的资料来看,还缺少就同位素温差电池设计优化和实验方面系统、综合的研究。基于此,本文借助有限元分析方法,设计了一款瓦量级的碲化铋基同位素温差电池并展开了有关电池输出性能的实验研究和模拟优化工作。设计部分中,采用有限元分析方法分别模拟分析了同位素热源的温度场分布和翅片型散热器的散热性能。根据模拟分析结果所加工制造的电加热替代热源具有更高的表面温度和更好的表面均匀性,该热源可以有效地将热量传递给外部温差发电模块;在室内气流速度稳定的条件下,加工制造的翅片型散热器在确定的传热面积上具有最佳的散热性能。实验部分中,分别研究了接触热阻、温差发电模块热端温度、温差发电模块串并联方式这几个因素对同位素温差电池输出性能的影响,并且从实验结果中总结出一些如何发挥温差发电模块最佳性能的参考。模拟优化部分中,首先建立了碲化铋基同位素温差电池的有限元模拟模型,通过研究温差发电模块P-N电偶臂几何尺寸对电池输出性能的影响,确定了单块温差发电模块内电偶臂的最佳几何尺寸以及模块内应该具有的电偶臂对数。随后,将总结得到的有限元模拟优化方法应用到了对方钴矿基同位素温差电池的模拟中,在模拟模型不变的情况下,得到了与碲化铋基同位素温差电池模拟优化后相似的研究结果,并且将同位素温差电池的输出性能进一步提升。最后,全文综合地研究了影响同位素温差电池性能的各个因素,较完整地阐述了同位素温差电池的设计、优化过程,为同位素温差电池的进一步发展总结了有益的设计指导。