Nulceo F722ZEのシリアルの異常がCubeMXに起因することがわかり、対策も判明したので、別の問題にも取り組んでみました。
この問題はNucleo L152REでしか確認していません。
そこで、動作するようになったNucleo F722REで試したところ、I2Cがマスターでもスレーブでもあっさり正常終了しました。
もともと非常に単純に絞り込んだ検証プログラムですのでアプリケーションは疑っていませんでしたが、これでSTM32L152に関してはHALかI2CのIPに問題があることが濃厚になってきました。一応、チップのエラッタも見ていますが、それらしきものは見当たりません。